高速磨床动态性能分析.pdf

高速磨床动态性能分析湖南大学机械与汽车工程学院?(410082)?陈根余?朱定军?尤卫民湖南工业职业学院?(410007)?申晓龙摘?要?基于提高高速磨削表面质量,系统研究了高速外圆磨床动力特性。通过设计动态性能试验,找到了样机的振动薄弱环节和主要振源,提出了改进措施。关键词?高速外圆磨床?动态性能?振源?改进措施引言高速磨削是一种高效磨削,在提高磨削效率同时怎样提高磨削表面质量是一个具有十分重要理论与实践意义的课题 1 3。基于砂轮线速度过高所引起的振动恰是精密磨削中所忌讳的。本文首先对样机MS1320型高速外圆磨床进行全面动态性能试验 4,找出振动薄弱环节和主要振源,提出抑制振动措施;然后结合动力分析与动态设计,改进样机研制出新型高速高精度低粗糙度外圆磨床。1?动态性能试验试验在样机 MS1320型高速外圆磨床上进行。采用实验模态分析法对整机进行动态分析。1.1?模态参数的测试与计算采用快速高效的脉冲激振法,磨床测点布置如图1所示。沿磨削力方向激振主轴前端点 1,其余各点拾振。用 CF-910动态信号分析仪对各测点加速度的响应值进行采样和分析,得出各点的传递函数。利用分量分析法求得各阶模态固有频率阻尼比见表 1。表 1?各阶模态的固有频率和阻尼比 5模态阶次1234固有频率/H z22.5127.5200315阻尼比/?0.10980.02210.05100.0315图 1?磨床测点布置1.2?振动薄弱环节分析根据各阶振型值用矢量表示所有测点在某阶模态下的响应,按统一的比例画在所选定的基准面(平衡位置)上,便得到磨床该阶模态的振型图。第一、二、三阶模态振型图分别如图 2、图 3、图 4示。图 2?第一阶振型图图 3?第二阶振型图?31?2006年第 2期(总第 166期)图 4?第三阶振型图第一阶模态为整机摇晃振动,三架前端(2、4、6)的幅值比后端(3、5、7)小,这对加工精度有利。上下台面呈弯曲振动,幅值最大,影响纵磨质量,应提高上下台面内的弯曲刚度。由第二阶振型图看出,砂轮振动方向与头尾架的振动方向相反,且头架振动幅值大,说明本阶模态的振动对加工精度影响很大,且从传递函数可看出这是一个主要模态,应该尽力避免干扰频率与该固有频率接近。同时,应提高它们自身的刚度和联结刚度。上下台面呈弯曲振动,且振动幅值更大一些,影响如同一阶一样。床身呈一次扭摆振动,影响其部件位置精度和加工精度。节线在床身中部偏左,基本与床身大窗口交会,说明窗口对床身特性有影响。观察第三阶模态振型图,三架振动幅值都很大。砂轮架也呈扭转振动,前端幅值大于后端且相反,使主轴承受很大的侧压力,将降低主轴工作精度。头架也呈扭转振动,前端不仅幅值大且与砂轮架前端和尾架前端振动方向相反,这对加工精度影响很大。上下台面及床身与二阶一样。继续对后面几阶高阶模态振型分析可知,三架的振动幅值都较大,且前端比后端振动幅值要大。以上分析表明,三架和上下台面是该磨床的振动薄弱环节。首先是头架,其次是砂轮架,再次是上下台面和尾架。1.3?振源分析分别使各电机空转并测出各点的功率谱值,所有测点功率谱平均值列于表 2。回转件的转动频率为:砂轮电机,48.7Hz;头架电机,24(48)Hz,液压电机,24H z;砂轮,41 H z。对功率谱的结果分析如下:(1)砂轮电机和液压电机是主要振源;(2)头架振动比尾架大,头架电机也是主要振源;(3)砂轮架的振动幅值比其它部件小,证明该砂轮架的动特性比较好;(4)由于各电机及砂轮的转动频率近似相等或成倍数关系,测试分析中的波形调制作用下使各种空转状态下的振动主要峰频率相等或接近,这些峰频率(Hz)是 50.8,101,150,199,250,301。其中振动频率 50.8Hz与砂轮、砂轮电机、头架电机的高速档的转动频率接近,而其它振动峰频率则为各阶高次谐振。与前节振动薄弱环节分析结果比较可知,主要峰频率 101,150,199,301分别与机床二、三、四阶振型的固有频率接近。在此,应尽量避免这些频率引起共振。表 2?空运转功率谱平均值(dBVrm s)测点状态 1启动砂轮电机(液压,静压电机必启)状态 2启动头架电机状态 3启动液压电机状态 4启动全部电机A状态对应的电机-30.02-42.63-29.71B砂轮架-43.90-50.12-46.29-42.87C头架顶尖-41.82-42.68-45.10-41.23D尾架顶尖-42.65-48.25-44.60-41.64E床身-41.75-46.30-42.94-41.291.4?改进措施在动态性能试验分析基础上,改进试验样机,可从以下方面着手:(1)砂轮电机转子轴、皮带轮风扇一起进行严格动平衡,平衡精度达 23.1gmm。对电机与座之间进行隔振计算,用厚橡皮隔开;合理设计布置砂轮架体壳、隔板及筋条;合理选择液压油粘度、油压和节流比;砂轮架改为多楔带转动。(2)头架电机、转子轴、皮带轮、拔盘连同拔杆严格动平衡并改用多楔带无级调整;拔盘采用双列向心短圆柱滚子轴承,以减小轴承滚动体通过振动;尾架采用交叉滚子导轨结构;改进头尾架外形设计以提高其在主振方向的刚性和稳定性。(下转第 49页)?32?精密制造与自动化向对象程序架构,使用微软的.NET 平台和 VC+.net开发语言,结合 Intel公司的 OpenCV 类库。对机器视觉尺寸检测系统进行软件开发。图象处理模块分为以下功能模块,完成各自的功能。文件操作模块:完成图像的存储、打开、关闭、重新加载、退出等功能;图象处理模块:完成图像的基本变换,例如灰度拉伸、图像反色;图像分析模块:阈值分割、边缘检测、图像的角点提取等功能;待测尺寸计算模块:完成经过处理后图像的尺寸计算,并按照一定的比例转化为真实尺寸,根据预先设定的标准尺寸的公差要求,判断待测尺寸是否合格;数据保存模块:将工件的编号与对应的测量结果保存到数据库中。最后测量结果显示如图 4所示。图 4?测量结果显示界面5?结束语利用视觉检测和图象处理技术进行工件的外形尺寸参数检测,在制造业中具有一定的使用价值,对该方案进行了初步的探讨与研究;接下来需要解决的是,一方面如何高效的获取高质量的动态图像使之自动化程度更高;另外一方面是如何高效地与生产中的各个环节相结合使系统达到实时检测,还有就是研究运行效率更高的图像处理算法;经过多次实际检测,该系统的总体设计方案是可行和可靠的,目前的试验成果表明机器人视觉在检测应用中具有广阔的前景。参考文献 1 贾云得.机器视觉.科学出版社,2000.2 孙即详,王晓华,钟山.模式识别中的特征提取与计算机视觉中不变量.国防工业出版社,2001.3 徐建华.图像处理与分析.科学出版社,1992.4 贾永红.计算机图像处理与分析.武汉大学出版社,2001 5 HarrisC.Geometry from visualmotion.Active M otion,M IT press,Cambridge,1992,263 284.6 OpenCV 使用文档.I ntelCorporation,2001.(上接第 32页)(3)为提高进给系统精度、刚度,进给系统改用步进电机,滚珠丝杆螺母副传动。(4)增加工件台辐射筋条以提高进给精度、刚度;台面空腔部采用夹沙结构以增大阻尼,加大上下台面的转轴支承直径,提高水平接触刚度。(5)将液压系统的齿轮泵改为螺杆泵,并将油箱移至床身外。(6)床身内腔采用双臂及合理的隔板筋条来提高动态刚度。2?结论(1)对样机 MS1320型高速外圆磨床设计动态性能试验,找到了三架和上下台面是该磨床的振动薄弱环节。首先是头架,其次是砂轮架,再次是上下台面和尾架。(2)对功率谱的结果分析得出砂轮电机、液压电机和头架电机是主要振源。同时砂轮,砂轮电机、头架电机的高速档的转动频率接近,容易引起共振。参考文献 1 国家自然科学基金委员会.先进制造技术基础.北京:高等教育出版社,1998.2 盛晓敏等主编.先进制造技术.北京:机械工业出版社,2000.3 孙大涌主编.先进制造技术.北京:机械工业出版社,2000.4 陈根余.高速磨削下变速磨削试验及其振动信号时间序列分析.湖南大学机械工程系,1998.5 许本文等主编.机械振动与模态分析基础.北京:机械工业出版社,1998?49?2006年第 2期(总第 166期)ABSTRACT&KEYWORDS?NO.2 2006Analysis on H i gh-Speed GrinderDynam ic Perfor mancesAbstrac:t To raise the high-speed ground surfacequality,this article systematically analyses the cylindri?cal grinder dynam ic characteristics.By making the dy?nam ic perfor mance tes,tthe vibration weak points andthe main vibration source of the prototype are found.F inally,the i mprovementmeasuresw ill be put forward.Keywords:high-speed cylindrical grinder,dynam iccharacteristics,vibration source,i mprovement meas?uresStructuralOptmiization of the SpindleSystem of5-AxisMachining CenterAbstrac:t Based on the dyna m ic si mulation of the spin?dle syste m of 5-axismachining center,dynam ic opti?m ization design is done for the bearing support systemand the structure of the spindle.To overcome the dis?advantages of one-support bearing,t wo-supportbearing is applied to the fore part of spindle.Them ini?mum displace m ent of the spindle nose is used as objec?tive function to design the structure of spindle.By theseways,the static and dynam ic characteristics of the spin?dle syste mare i mproved,satisfying the design de?mands.Keywords:spindle system,suppor,t bearing,opti m iza?tion designStudy on Surface Roughness Forecasting ModelBased on Response Surface Methodol ogyAbstrac:t Based on analyzing the shortcom ings of thepastmethodsof building a surface roughness forecastingmode,l Response SurfaceM ethodology(RS M)was a?dopted to build a forecastingmodel of surface roughnessform illing steel and steel alloy.By verification of thebuilt forecasting model of surface roughness,the fore?casting accuracy ishigh and themodel can si mply fore?cast the effects of m illing parameters on surface rough?ness of m achined surface,which contributes to accu?rately understand the variation law ofmachined surfacequality follow ing m illing parameters and provides thefoundation for properly selecting the cutting parametersand controlling surface quality.Keywords:Response Surface Methodology(RSM),surface roughness,forecas,t m illingResearch on Designing,Modeling and Controllingof Flexible ParallelMovementCraneAbstrac:t This article discusses the control method ofthe Flexible Parallel Move m ent Crane.The prototypehas been buil.tBy establishing the mathematic modeland the computer progra mcontrol m ethodology,theprototype crane movement can be controlled.It makescompare between 8-cable controlled prototype and tra?ditional 6-cable flex ible parallel movement crane insafety and stability.Keywords:flexible parallel movement crane,math?ematic mode,l computer contro,l eight-cableLongitudinalFeed Mechanismof RollGrinderAbstrac:t This paper analyses the i mportance of thefeedmechanism,andmakes compare between differentfeed mechanisms,introduces a new longitudinal feedmechanism for roll grinder and its design planKeywords:ball screw,feed,designFlexible Measuring Equi pment 3-Coordinate Measuring MachineAbstrac:t This paper briefly introduces the types,structures,and applications of 3-coordinatemeasuringmachine,As modern measuring equipmen,t more andmore people know and concern its advantages.Keywords:flexible measuring equip m en,t3-coordi?nate measuring machine,reverse engineering,digitalmodelStructural Introducti on of SeveralMeasuring Devices for CNC RollGrinderAbstrac:t M easuring device application to CNC rollgrinder ismore andmore popular.A i m ing to them eas?uring device application to CNC roller grinder,this pa?per introduces several different kinds of measuring de?vices,analyses their structures,and points out theirdifferent application fields.Keywords:roll grinder,measuring device,in-processmeasuringMultiple-pitch Long-LeadScrew Indexing MethodAbstrac:t This paper puts forward an effective way ofgear pitch-indexing device,introduces its principle,basic structure and operation method.It describes thecalculationm ethod for indexing themultiplied pitch.Keywords:multiple-pitch thread,pitch indexing ac?curacy,long-lead screw?3?2006年第 2期(总第 166期)